低碳經(jīng)濟(jì)下相變材料的研究進(jìn)展

低碳經(jīng)濟(jì)下相變材料的研究進(jìn)展

以來(lái)，可以源危機(jī)以來(lái)，理論基礎(chǔ)和應(yīng)用研究在世界各國(guó)迅速發(fā)展。溫室氣體的不斷排放及燃油價(jià)格的連續(xù)上漲,使得各種可再生能源(例如太陽(yáng)能)的有效利用成為迫在眉睫的課題。鑒于太陽(yáng)能具有間斷性和不穩(wěn)定性的特點(diǎn),研究高效而經(jīng)濟(jì)的蓄能技術(shù)就占有極為重要的地位。1石蠟/石墨復(fù)合相變材料的制備工藝目前國(guó)內(nèi)外研究的相變材料主要包括結(jié)晶水合鹽類無(wú)機(jī)相變材料,以及石蠟、羧酸、酯、多元醇和高分子聚合物等有機(jī)相變材料。近年來(lái),復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料得到普遍發(fā)展,其既能有效克服單一的無(wú)機(jī)物或有機(jī)物相變儲(chǔ)熱材料存在的缺點(diǎn),又可改善相變材料的應(yīng)用效果以及拓展其應(yīng)用范圍,提高了能源的利用率。目前研究最多的是定形相變材料(SSPCMs)和微膠囊相變材料(MEPCMs)。定形相變材料有效地解決了相變材料的泄露問(wèn)題及其在液態(tài)時(shí)對(duì)容器的腐蝕問(wèn)題,且在發(fā)生相變時(shí)可保持形態(tài)不變,無(wú)需容器盛裝,在使用性能上與固-固相變材料近似,此特性使其具有廣闊的應(yīng)用前景。Xavier將石蠟吸附在具有多孔結(jié)構(gòu)的膨脹石墨內(nèi),構(gòu)成石蠟/石墨復(fù)合相變材料,熱導(dǎo)率有了明顯提高,從純石蠟的0.24W/(m·K)提高到4~70W/(m·K)。林怡輝等人用溶膠凝膠法制備了硬脂酸-二氧化硅復(fù)合相變材料,并進(jìn)行了DSC、透射電鏡、掃描電鏡測(cè)試,其相變溫度為49.61℃,相變潛熱為70.68J/g。張東用脂肪酸及其衍生物作為相變材料,以膨脹粘土材料、膨脹珍珠巖作為載體,制備了性能良好的粒狀的復(fù)合相變材料,并用乳膠將表面密封,從而克服了相變材料容易溢出的缺點(diǎn)。張正國(guó)等對(duì)石蠟/膨脹石墨復(fù)合相變材料的微觀結(jié)構(gòu)及熱性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料的相變溫度與石蠟相似,其相變潛熱與基于復(fù)合材料中石蠟含量的潛熱計(jì)算值相當(dāng),且含80%石蠟的復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料的儲(chǔ)熱時(shí)間比純石蠟減少69.7%,放熱時(shí)間減少80.2%。復(fù)合相變材料還可以根據(jù)需要制成任意形狀,可制成纖維狀、膠囊狀或其他包覆形態(tài)。當(dāng)制備成小顆粒時(shí)可與傳熱介質(zhì)一起組成潛熱功能性流體,可實(shí)現(xiàn)恒溫輸熱。該流體能夠提供10~40倍于一般流體的等效熱容,使流體的Nu數(shù)提高2~3倍。饒宇等用原位聚合法制備了以蜜胺樹(shù)脂為壁材、22烷為芯材的相變材料微膠囊,研究結(jié)果表明,MEPCMs具有較高的蓄熱能力(156kJ/kg),且其熱性能在0~180℃范圍內(nèi)穩(wěn)定。納米膠囊相變材料(NEPCM)作為一種新型的傳熱和蓄熱介質(zhì),由于其顆粒微小且壁薄,使得傳熱面積增大,從而提高了相變材料的熱傳遞和使用效率,使相變材料的傳熱性能得到了強(qiáng)化。樊耀峰以正十八烷和環(huán)己烷為囊芯,三聚氰胺-甲醛樹(shù)脂為囊壁材料,結(jié)合使用高速乳化技術(shù),原位聚合合成了平均粒徑為0.77~0.75μm的相變材料納米膠囊。張靜以正硅酸乙酯(TEOS)為前驅(qū)體,棕櫚酸(PA)為相變材料主體,無(wú)水乙醇為溶劑,鹽酸為催化劑進(jìn)行溶膠-凝膠反應(yīng),制備了PA-SiO2納米復(fù)合相變材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,由于二氧化硅的導(dǎo)熱系數(shù)較大,相應(yīng)的復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)比純有機(jī)酸的導(dǎo)熱系數(shù)大,從而提高了相變材料的儲(chǔ)放熱速度。2碳素纖維對(duì)儲(chǔ)熱系統(tǒng)的影響由于相變材料具有流動(dòng)性,相變材料通常封裝在容器內(nèi)。自然對(duì)流在熔化過(guò)程中加快熔化速率,而在凝固過(guò)程中則減慢、最后終止凝固的進(jìn)行。對(duì)凝固過(guò)程來(lái)說(shuō),由于相變工質(zhì)的自絕熱特性和自然對(duì)流的影響,惡化了凝固過(guò)程的傳熱。所以,有必要尋求有效的強(qiáng)化換熱手段,提高相變速率。研究相變儲(chǔ)熱換熱器的強(qiáng)化換熱措施,包括選取合適的封裝材料,改進(jìn)換熱器的結(jié)構(gòu),沿傳熱流體流動(dòng)方向布置相變溫度不同的組合相變材料等各項(xiàng)措施。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)研究。Velraj等人通過(guò)數(shù)值和實(shí)驗(yàn)分析了管內(nèi)十字型肋片的傳熱強(qiáng)化效果。結(jié)果表明,采用肋片后,儲(chǔ)熱單元的換熱效果明顯提高,其模型如圖1所示。接著,Velraj等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)的辦法,研究了采用加肋片、加金屬環(huán)和在PCM中生成氣泡三種辦法來(lái)改進(jìn)儲(chǔ)熱系統(tǒng)傳熱性能的問(wèn)題。結(jié)果表明,加肋片和金屬環(huán)對(duì)于強(qiáng)化相變材料的傳熱是可行的,而生成氣泡的辦法傳熱強(qiáng)化效果不明顯。Fukai等人研究了在相變材料中加入碳素纖維的強(qiáng)化傳熱問(wèn)題。通過(guò)一維導(dǎo)熱模型,計(jì)算了其熱擴(kuò)散率。結(jié)果表明,加入碳素纖維后,相變材料的有效導(dǎo)熱系數(shù)可以大幅增加,但熔化過(guò)程的自然對(duì)流作用被抵消。隨后,Fukai等人研究了在殼管式換熱器中加入碳素纖維的傳熱強(qiáng)化效果。PCM和碳素纖維在殼側(cè),管內(nèi)為傳熱流體。數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)表明,隨著纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)和直徑的增大,傳熱效果加強(qiáng),而且有最優(yōu)值存在。Ismail等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算分析了柱狀儲(chǔ)熱單元中直肋對(duì)放熱過(guò)程的影響。儲(chǔ)熱單元管內(nèi)為等溫?fù)Q熱流體,管外為直肋和PCM。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明,直肋的長(zhǎng)度、個(gè)數(shù)和PCM的過(guò)熱度對(duì)放熱時(shí)間影響較大,而直肋的厚度影響不大。Ettouney等人研究了在儲(chǔ)熱系統(tǒng)中加入金屬絲網(wǎng)和金屬球后的傳熱強(qiáng)化效果。他們實(shí)驗(yàn)分析了不同的金屬球直徑和個(gè)數(shù)下,儲(chǔ)熱系統(tǒng)的傳熱性能。結(jié)果表明在系統(tǒng)熱負(fù)荷基本不變的情況下,PCM的Fo數(shù)減小3倍,Nu數(shù)增大3倍。LIU等人實(shí)驗(yàn)研究了硬脂酸的熔化過(guò)程特性,采用螺旋型肋片來(lái)強(qiáng)化傳熱。PCM存放在環(huán)形管間,內(nèi)管用電加熱,環(huán)形管間焊接環(huán)形肋片。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,采用螺旋型肋片后,PCM的有效導(dǎo)熱系數(shù)增大了3倍。唐剛志等人實(shí)驗(yàn)研究了針翅管式相變蓄熱器傳熱特性,采用三維針翅管作為換熱強(qiáng)化元件,對(duì)換熱器進(jìn)行了充、放熱實(shí)驗(yàn),研究了不同流量對(duì)充、放熱過(guò)程的影響。結(jié)果表明:流體的流量主要通過(guò)影響流體與管壁的換熱系數(shù)來(lái)影響換熱管的換熱效果,實(shí)驗(yàn)中層流區(qū)內(nèi)影響不明顯。該三維針翅管換熱器強(qiáng)化了換熱,取得了較好的換熱效果。朱恂等通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了在石蠟中添加銅粉、硅粉和不銹鋼絲帶對(duì)石蠟螺旋盤(pán)管蓄熱器蓄熱和放熱性能的影響。結(jié)果表明:蓄熱過(guò)程中,純石蠟蓄熱器內(nèi)溫度分布不均勻性最為嚴(yán)重,插入不銹鋼絲帶的蓄熱器內(nèi)溫度分布最均勻。在放熱過(guò)程中,純石蠟蓄熱器的出口水溫下降最快,而石蠟加不銹鋼絲帶的蓄熱器出口水溫最高。Eman-Bellah等研究了以石蠟為相變材料的太陽(yáng)能儲(chǔ)熱系統(tǒng),在其中添加鋁粉末來(lái)提高導(dǎo)熱系數(shù)。他們添加的鋁粉末粒徑為80μm,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%。研究結(jié)果表明,加入鋁粉末后,儲(chǔ)熱時(shí)間大約縮短了60%,放熱過(guò)程中,在不同的水流速下進(jìn)行實(shí)驗(yàn),水溫的升高也較純石蠟要快。組合相變材料是將不同相變溫度的相變材料按一定方式組合起來(lái),這對(duì)于提高蓄熱系統(tǒng)整體導(dǎo)熱性能,提高換熱速率有顯著優(yōu)勢(shì)。Fang等對(duì)管殼式儲(chǔ)熱單元使用組合相變材料建立了以焓法為基礎(chǔ)的理論模型,并進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。結(jié)果表明,選擇合適相變溫度的相變材料進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕M合對(duì)于提高儲(chǔ)熱單元的儲(chǔ)熱性能有重大意義。Shaikh等研究了不同相變溫度、熱物理性質(zhì)和邊界條件下組合PCMs板的儲(chǔ)熱性能,并與單一PCM板進(jìn)行比較。數(shù)值模擬結(jié)果表明,組合PCMs板的總儲(chǔ)熱率比單一的PCM有顯著提高,這對(duì)于提高潛熱儲(chǔ)熱系統(tǒng)的儲(chǔ)熱能力有重大意義。3維流網(wǎng)物理模型的研究相變傳熱問(wèn)題的難點(diǎn)在于求解域中存在一個(gè)位置隨時(shí)間變化的固-液界面,在數(shù)學(xué)上是一個(gè)強(qiáng)非線性問(wèn)題。因此對(duì)于相變問(wèn)題的求解有一定難度,一般只能用數(shù)值分析法處理。深入進(jìn)行相變傳熱分析,對(duì)相變材料的有效利用、系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及性能的準(zhǔn)確預(yù)示有著重要作用。為了優(yōu)化選擇和設(shè)計(jì)潛熱蓄熱裝置,就要建立數(shù)學(xué)模型,進(jìn)行深入的傳熱分析。國(guó)外對(duì)相變蓄熱的研究起步較早,在傳熱機(jī)理和數(shù)值模擬方面做了大量工作。Shamsundar等人分析了與太陽(yáng)能蓄熱器相關(guān)的一個(gè)特定問(wèn)題。通過(guò)焓法采用全隱有限差分格式,對(duì)方形蓄熱容器中對(duì)流冷卻凝固模型(圖2)進(jìn)行了多維相變傳熱分析。得出:隨著凝固過(guò)程的進(jìn)行,Biot數(shù)等于Bi=0.1,1.0,10及Ste=0.1,0.05,0.01時(shí)的PCM冷卻面的熱流分布情況是:在容器壁處的熱流衰減迅速,而對(duì)稱線處的熱流衰減緩慢。Esen等研發(fā)了一種理論上可以作為采暖系統(tǒng)中利用太陽(yáng)能輔助系統(tǒng)加熱的圓柱體蓄能罐(圖3)。如圖3(a)所示,系統(tǒng)由大的圓柱體容器包裹多個(gè)圓柱體單元組成,相變材料填充在圓柱體內(nèi),換熱流體在圓柱單元外平行流過(guò)并與PCM發(fā)生熱交換。研究當(dāng)中將物理模型看作是換熱流體以豎直圓管包裹圓柱體相變材料,如圖3(b)所示,中間為PCM,管外層為換熱流體。研究的目的是為了開(kāi)發(fā)一種考慮蓄熱單元熱損失、蓄熱材料軸向徑向?qū)?、及換熱流體與PCM之間薄膜傳熱溫差的相變蓄熱模型。該模型的建立基于焓法模型,由Gausss-Seidel迭代求解方程組。通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬,結(jié)果顯示隨著換熱流體入口溫度的增高及流量增大,取熱量增大;圓柱單元直徑增大,等量PCM的融化時(shí)間加長(zhǎng);要選擇合適的圓柱單元壁材及尺寸,例如高導(dǎo)熱性,直徑小等。Gong建立了一種有限元模型來(lái)模擬求解殼管式潛熱蓄熱換熱器中的傳熱過(guò)程。模型如圖4所示。管內(nèi)通換熱流體,環(huán)形腔內(nèi)填充PCM。研究目的是為了考察兩種換熱模式的特性,即放熱蓄熱過(guò)程冷熱流體從一個(gè)方向進(jìn)入的換熱效果和從相反方向流入的換熱效果。結(jié)果表明冷熱流體進(jìn)口相同的蓄熱器換熱效果好。Costa設(shè)計(jì)了一種利用低谷電蓄熱的采暖系統(tǒng),如圖5所示。該系統(tǒng)由7個(gè)鋁制矩形盛裝PCM的容器構(gòu)成。一側(cè)是固定的10根矩形橫截面鋁管,換熱流體從中流過(guò)并與PCM進(jìn)行熱交換。蓄熱時(shí),利用另一側(cè)電加熱器將PCM融化。整個(gè)裝置放置在一個(gè)保溫性能良好的箱體內(nèi)。設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的目的是為了研究系統(tǒng)的熱性能、融化凝固過(guò)程中自然對(duì)流的影響。采用了焓法模型及全隱式有限差分法進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)該物理模型,分別計(jì)算了一維不帶翅片考慮導(dǎo)熱和對(duì)流,及二維帶翅片考慮導(dǎo)熱兩種模型。并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。AnicaTrp通過(guò)實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬,分析了殼管式潛熱蓄熱系統(tǒng)中工業(yè)石蠟在融化/凝固過(guò)程的瞬態(tài)傳熱現(xiàn)象。采用焓法模型,利用控制體積法建立能量控制方程,通過(guò)自編FORTRAN程序進(jìn)行求解。結(jié)果表明PCM融化過(guò)程發(fā)生在一定區(qū)域內(nèi)且是非等溫的,而凝固過(guò)程PCM內(nèi)部是等溫過(guò)程。換熱流體(HTF)的速度場(chǎng)很快達(dá)到充分發(fā)展階段,而溫度場(chǎng)由于移動(dòng)界面問(wèn)題而無(wú)法達(dá)到穩(wěn)態(tài);因此,選用Pt數(shù)適中的水作為換熱流體,則HTF、管壁及PCM之間的傳熱可由數(shù)值模型中的一個(gè)區(qū)域表示。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于相變過(guò)程的數(shù)值計(jì)算也進(jìn)行了大量研究,并取得了一定進(jìn)展。葉宏利用焓法和有效熱容法對(duì)定形相變材料熔解過(guò)程進(jìn)行了分析,并與DSC實(shí)測(cè)結(jié)果相比較,證明兩種數(shù)值計(jì)算方法的有效性。陳超等人設(shè)計(jì)了一種可用于電鍋爐采暖的中溫相變蓄熱裝置,物理模型是將板狀定形相變材料豎直按一定間距放入矩形蓄熱體內(nèi),水流沿豎直方向流過(guò)板狀相變材料,并與其直接接觸發(fā)生熱傳遞。該傳熱過(guò)程是個(gè)復(fù)雜的三維相變傳熱問(wèn)題,文章采用了顯熱容法對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行了求解,并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較,兩個(gè)結(jié)果吻合較好。周素娟等對(duì)套管型相變蓄熱裝置建立了數(shù)學(xué)模型,用FLUENT軟件對(duì)其蓄熱過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬,得出蓄熱過(guò)程中,PCM管內(nèi)不同半徑處溫度、液體比、熱流密度隨時(shí)間的變化情況,以及制冷劑與蓄能材料之間的熱流密度隨時(shí)間的變化規(guī)律。姜益強(qiáng)提出了適合相變蓄熱熱泵供熱系統(tǒng)的圓柱形殼管式相變蓄熱結(jié)構(gòu)形式,并基于焓法建立了數(shù)學(xué)模型,采用隱式有限差分法對(duì)其進(jìn)行求解,得出了相變蓄熱單元的釋熱特性及其隨換熱流體溫度和流速的變化規(guī)律。4相變材料在溫室內(nèi)儲(chǔ)熱相變材料廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑、紡織、電子產(chǎn)品、醫(yī)藥運(yùn)輸?shù)雀黝I(lǐng)域,是節(jié)能最有效的方式之一。在生態(tài)建筑中采用相變儲(chǔ)能復(fù)合材料可以提高建筑結(jié)構(gòu)的熱惰性和熱穩(wěn)定性,減緩建筑物室內(nèi)的溫度波動(dòng)。Ismail等人研究了相變窗簾的可行性。Chen等人實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了新型相變儲(chǔ)能墻板的適用性。呂磊磊等人設(shè)計(jì)了一種用于回收空調(diào)冷凝熱的復(fù)合相變蓄熱器,可以解決常規(guī)熱水器水箱過(guò)大或熱需求側(cè)與供應(yīng)側(cè)量與時(shí)間不平衡的問(wèn)題。王芳等人針對(duì)太陽(yáng)能一地源熱泵的供熱量波動(dòng)性問(wèn)題,對(duì)帶有蓄熱裝置的太陽(yáng)能一地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行模式及其轉(zhuǎn)換條件進(jìn)行了研究。相變材料用于農(nóng)業(yè)溫室內(nèi)溫度環(huán)境的波動(dòng)控制,對(duì)溫室節(jié)能有重要意義。王宏麗總結(jié)了溫室中應(yīng)用的相變儲(chǔ)熱技術(shù),分析了溫室儲(chǔ)熱的相變材料的性能與技術(shù)問(wèn)題,指出了建立溫室儲(chǔ)熱系統(tǒng)的可行的應(yīng)用途徑為墻體儲(chǔ)熱、地下儲(chǔ)熱和室內(nèi)外聯(lián)合儲(chǔ)熱。相變材料可以提供溫度敏感性生物醫(yī)藥制品長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的低溫環(huán)境,尤其適合溫度敏感性生物醫(yī)藥制品的運(yùn)輸。市場(chǎng)上已經(jīng)應(yīng)用于很多公司的運(yùn)輸箱,例如Sofrigam公司。相變材料能夠平抑高功率電子器件的溫度波動(dòng),起到保護(hù)電子器件的目的。其應(yīng)用已經(jīng)開(kāi)始向商業(yè)化發(fā)展,做相變材料散熱元件的公司有EPS等。燃料電池/內(nèi)燃機(jī)啟動(dòng)需要一定的溫度,因此在嚴(yán)寒的冬季,保持燃料電池/內(nèi)燃機(jī)一定溫度對(duì)其再次啟動(dòng)非常重要。M.Gumus設(shè)計(jì)了一種用于內(nèi)燃機(jī)預(yù)熱的潛熱蓄熱裝置,預(yù)熱時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)平均增溫17.4℃,CO排放量減少將近65%,對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)和余熱有顯著影響。將納米相變儲(chǔ)能復(fù)合材料微粉加入紡織纖維中,可以制作高級(jí)運(yùn)動(dòng)服、潛水員服裝、消防員服裝、頻繁出入冷庫(kù)的工作人員服裝等,提高人體熱舒適性。相變儲(chǔ)能復(fù)合材料是一種有效的太空熱保護(hù)材料。另外,在太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)中利用相變材料的潛熱將日照期吸收的部分熱量?jī)?chǔ)存起來(lái),用于陰影期的熱機(jī)熱源。在軍事建筑物外部,采用各種形式的相變材料,